Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Normy IEC/ISO 60870-5 specifikují komunikační protokoly určené pro systémy dálkového řízení a systémy SCADA používané v geograficky rozlehlých soustavách, zejména v elektrizační síti. Od doby, kdy byla norma schválena, již byly tyto protokoly použity v mnoha úlohách a v mnoha dalších projektech je jejich použití plánováno. Tento článek seznamuje čtenáře se základními rysy a specifikacemi těchto protokolů.
Normy IEC/ISO 60870-5 (v české soustavě norem jako normy ČSN EN 60870-5 Systémy a zařízení pro dálkové ovládání. Část 5: Komunikační protokoly) specifikují přenosové protokoly pro dálkové ovládání zařízení a soustav, které jsou založeny na sériovém přenosu binárně kódovaných dat a jsou určeny pro dohled a ovládání geograficky rozlehlých procesů. Na specifikaci protokolů pracovala technická skupina TG 03 technického výboru TC 57 Mezinárodní elektrotechnické komise IEC, přičemž práce na ní začala v roce 1988. Řekněme si nyní jednoduše, o co v těchto normách jde.
Protokol master-slave
Normy IEC 60870-5 vycházejí z modelu master-slave a specifikují funkce užitečné pro systémy dálkového ovládání. Dvě nejdůležitější z nich jsou funkce Report By Exception (RBE) a mechanismus přiřazování časových značek.
Master-slave
Jednoduše řečeno, v komunikačních systémech s modelem master-slave využívajících sériovou sběrnici je jedna řídicí jednotka master, která odesílá požadavky (dotazy, příkazy, requests) postupně všem svým podřízeným jednotkám – slaves. Každá podřízená jednotka reaguje individuálně na ty požadavky, které jsou jí určeny. Klasické schéma požadavek-odpověď (request-response) má pevná pravidla, zvaná polling; postup dotazování může být přizpůsoben individuálním požadavkům. Na uvedeném modelu je založeno mnoho široce rozšířených komunikačních protokolů. V tomto typu protokolů je každý přenos dat nebo zpráv po síti řízen jednotkou master.
U klasických řídicích systémů, které nejsou plošně rozlehlé (řízení strojů, výrobních linek a provozů), je jednotkou master komunikační sítě zpravidla programovatelný automat nebo podobné zařízení a jednotky slaves jsou snímače, akční členy, moduly I/O, regulátory, jiná PLC atd. Ve speciálním případě rozlehlých elektrizačních soustav je řídicí jednotkou zpravidla počítač umístěný v dispečinku, zatímco řízené jednotky se označují jako RTU – Remote Terminal Unit. To jsou průmyslové počítače, nebo řidčeji PLC, které řídí elektrickou rozvodnu. Na trhu jsou dostupná elektrická zařízení, jako odpínače nebo ochranná relé, s integrovaným rozhraním jednotky slave podle IEC 60970-5-101, -103 nebo -104.
Report by Exception
Je zřejmé, že pro jednotku master, umístěnou v centrálním dispečinku, může být velmi důležité dozvědět se co nejrychleji, objeví-li se na jednotce slave hodnota proměnné signalizující mimořádnou událost. K tomu je určena funkce Report by Exception (RBE). Ta umožňuje vzdáleným stanicím slave požádat o komunikaci s jednotkou master. Podle IEC 60870-5 má zařízení slave schopnost iniciovat např. takovouto transakci: „jsem procesní proměnná č. 27 a změnila jsem svůj stav z 0 na 1.“ Rozumí se, že proměnná náleží zařízení typu slave; bez funkce RBE by se master o změně hodnoty proměnné dozvěděl až v okamžiku, kdy by na danou jednotku slave došlo podle pravidelného pořádku dotazování.
Časové značky
Časové značky umožňují uživateli (nebo aplikaci, která zpracovává data) sledovat určitou událost. Časová značka je připojena ke každé události a poskytuje informaci o tom, kdy se tato událost stala. Například událost „jsem proměnná č. 27 a změnila jsem svůj stav z 0 na 1“ je doplněna časovou značkou ve formátu rok-týden-den v týdnu-hodina-minuta-sekunda-setiny sekundy. Když nastane mimořádná událost, obvykle je následována kaskádou dalších. Podle časové značky lze snáze identifikovat, která událost byla první, a určit, co bylo příčinou sekvence závad. Je patrné, že v normě musí být specifikován robustní a silný mechanismus synchronizace, aby bylo možné bez ohledu na vzdálenost mezi jednotkami RTU a jednotkou master zpracovat údaje o přesném čase v každé jednotce.
Kompletní sada norem
IEC/ISO 60870 (u nás zavedená jako ČSN EN 60870) je označení pro celou skupinu norem s názvem Systémy a zařízení pro dálkové ovládání. Pouze jedna její část, IEC 60870-5, ze zabývá komunikačními protokoly. Udělejme si nejprve stručný přehled o celé skupině.
Jako úvod, první dvě části, IEC 60870-1 a 60870-2, se postupně zabývají „všeobecnými ustanoveními“ (všeobecné zásady, návod pro specifikace, výklad zvláštních výrazů, základní aspekty apod.) a „provozními podmínkami“ (napájení a elektromagnetická kompatibilita, klimatické, mechanické a další neelektrické vlivy).
Třetí část, 60870-3, popisuje „elektrické charakteristiky rozhraní“, tj. podmínky pro rozhraní, které musí být splněny, mají-li různé prvky spojené navzájem vytvořit funkční systém dálkového ovládání a umožnit uživateli takový systém spravovat.
Čtvrtá část, 60870-4, je velmi důležitá. Zabývá se totiž „požadavky na vlastnosti“ – charakteristikami, které mají vliv na provoz systémů dálkového ovládání a souvisejí s vlastnostmi aplikace a funkcemi zpracování dat, dále stanovuje soubor pravidel pro hodnocení a specifikaci požadavků na výkon, a je-li to účelné, také se věnuje klasifikaci do výkonnostních tříd pro každou z vyjmenovaných vlastností.
Pátá část, která nás zvláště zajímá, se soustřeďuje na „přenosové protokoly“. Obsahuje několik částí, z nichž prvních pět je:
-
IEC 60870-5-1 Formáty přenosového rámce – asynchronní přenos dat s linkovými protokoly half-duplex a full-duplex, standardy pro kódování, formátování a synchronizování datových rámců s hodnotami proměnných a metody zajištění integrity dat,
-
IEC 60870-5-2 Procedury spojového přenosu – procedury pro sériový přenos kódovaných digitálních dat,
-
IEC 60870-5-3 Obecná struktura aplikačních dat – pravidla pro strukturování jednotek aplikačních dat v přenosových rámcích,
-
IEC 60870-5-4 Definice a kódování aplikačních informačních prvků – pravidla pro definování informačních prvků, zvláště digitálních a analogových procesních proměnných, často používaných v systémech dálkového řízení,
-
IEC 60870-5-5 Základní aplikační funkce – standardy pro zajištění interoperability různých zařízení elektrizační soustavy.
Část IEC 60870-5-101 je Společná norma pro základní úkoly dálkového ovládání. Cílem je umožnit funkční interoperabilitu mezi kompatibilními zařízeními dálkového řízení. Byla publikována v roce 1995 a doplněna v roce 1998, aby definovala také přenos úplné časové značky události. Poslední změna byla vydána nedávno; množství změn a úprav svědčí o rostoucím zájmu o tuto část normy. Část -101 také popisuje mechanismy, které byly krátce popsány v předchozích odstavcích.
Části IEC 60870-5-102 a -103 specifikují další společné standardy, první pro přenos integrovaných součtových hodnot v elektrizačních soustavách (to zajímá jen odborníky v tomto oboru) a druhá pro informační rozhraní ochran (zajišťuje interoperabilitu mezi ochranami a zařízeními řídicího systému podřízené stanice).
A nakonec IEC 60870-5-104 s názvem Síťový přístup pro IEC 60870-5-101 používající normalizované transportní profily. Zjednodušeně řečeno, zatímco část -101 specifikuje mechanismy přenosu dat, část -104 stanovuje (nebo v některých případech jen doporučuje) jejich použití v běžných komunikačních sítích; z nich nejpopulárnější je Ethernet s TCP/IP.
Část 6 skupiny standardů IEC 60780 se týká protokolů pro dálkové ovládání kompatibilních se standardy ISO a doporučeními ITU-T. Od části 5 se liší zejména tím, že vychází z modelu klient-server a je využívána pro větší systémy zpracování dat a počítačové sítě. Jde především o přenos informací mezi jednotlivými dispečinky elektrizační soustavy navzájem a mezi nimi a dispečinky elektráren.
Příklady použití
Je samozřejmé, že norma IEC 60870-5 nachází uplatnění především v elektroenergetice, i když její použití jinde vůbec není vyloučené. Jiný, podobný protokol se nazývá DNP 3.0 (Distributed Network Protocol). Byl vytvořen v roce 1990 v reakci na rostoucí požadavky severoamerického trhu. DNP 3.0 se v současné době používá v mnoha oblastech procesního průmyslu: v petrochemii, farmacii, potravinářství nebo vodárenských soustavách, a to po celém světě.
870, nebo 60870?
Poznámka na konec o správném značení těchto norem. Standardizační proces začal, jak už bylo uvedeno, v roce 1988 v Evropě v rámci organizace IEC. V té době byly normy označeny IEC 870. Ovšem před třemi lety se dvě velká sdružení pro normalizaci, IEC a ISO (International Standard Organization, která je větší než IEC) rozhodly sdílet stejný identifikační systém norem. Podle tohoto systému mají normy navržené ISO počáteční číslice 00 až 59 a normy navržené IEC 60 až 99. Proto je správné onačení nových norem ISO/IEC 60870-X-Y. Do českého systému norem jsou tyto normy zavedeny jako ČSN EN 60870-X-Y.
[ProSoft Technology – Europe: IEC/ISO 60870--5-101, -103, -104: communication protocols for telecontrol (SCADA) systems.]
Společnost ProSoft Technology nabízí velké množství různých zařízení určených ke konverzi protokolů a komunikačních bran pro protokoly IEC 60870-5-101, IEC 60870-5-103 a IEC 60870-5-104. Jde o samostatná zařízení i o vestavné moduly do PLC nebo IPC. Typické oblasti použití jsou elektrorozvodné sítě, vodohospodářské sítě, systémy veřejného osvětlení, systémy řízení dopravy apod. Více informací najdou zájemci na www.prosoft-technology.com